复合材料用三维机织物成型性的研究进展分析

　　纤维增强复合材料在航天器、飞机、汽车等领域的应用逐渐从次承力结构件发展到主承力结构件，在众多类型的纤维增强结构中，三维机织物是一种常用的纤维增强形式。三维机织物中特殊的纱线交织结构使得三维机织复合材料具有比强度、比模量高，抗冲击性好，可设计性强等优点。特别是，三维机织物用作复合材料增强结构时，根据结构件外形几何特征的不同，主要有2种纤维增强体的成型方法：一种是采用立体仿形织造技术的直接异形整体成型；另一种是由板形织物在模具作用下变形成所需要的外形结构。本文主要探讨了板形织物在模具约束作用下的成型过程，成型过程中板形织物受到复杂的三维应力，织物局部和整体都会发生变形，导致纤维形态、纱线排列、纤维体积含量、树脂注射成型过程中的树脂流动、分布等发生变化，这种变化会影响异型织物的成型稳定性、贴覆性等，其增强复合材料的细观结构均匀性和性能难以得到保证。板形织物在模具约束下的成型过程具有操作流程简单、织物工艺设计简单等优点，但是对于厚度大、纱线交错结构复杂、成型性差的三维织物来说，织物很难按照模具形状成型，而且成型后织物表面会出现很多褶皱、纱线错位严重等现象，影响织物的力学性能。
　　作为复合材料增强体的重要评价指标之一，织物成型性是指在一定作用力下织物无褶皱成型某种特定形状的能力。相关研究报道表明，织物成型性主要与纤维伸长率和纱线之间的滑移能力有关。近年来，Legrand等对三维机织物在模具约束作用下成型过程中织物形态和纱线形态变化做了很多研究，并从宏观和细观2个角度分别分析织物结构变化，但并没有说明三维机织物异形成型过程中引起织物结构变化的原因。三维机织物纱线交织结构使得其成型性的评价更为复杂，一般地，在借鉴二维机织物成型性研究方法和研究成果的基础上，采用力学法和几何法分析织物的剪切性能、悬垂性、半球成型性及弯曲成型性来定性或定量地评价三维机织物的成型性。
　　本文基于三维机织物的细观结构特性，从织物的剪切性能、悬垂性、半球成型性、弯曲成型性4种评价成型性方法的原理和适用范围出发，分析了国内外的研究现状和进展，在寻求研究方法借鉴的同时，提出表征三维机织物成型性方面尚存在的问题，以及需要进一步开展研究工作的建议，为三维机织复合材料的异型结构设计、性能研究、模拟仿真等提供理论参考。
　　1三维机织物结构特点
　　作为复合材料用三维织物中的一个重要分支，三维机织物中纱线不但沿织物的经纬向配置，而且有一部分纱线沿与织物的厚度方向呈一定角度的方向配置，从而增强了层间强度。根据纱线交织结构的不同，三维机织物主要分为三向正交和三维角联锁织物2大类。此外，三维机织物具有灵活多尺度可设计性，可以通过改变纤维种类、纱线线密度、经纬密等来满足织物的不同力学性能。
　　三向正交结构织物有3个纱线系统，经纱和纬纱2组纱线基本伸直，面内呈90度，法向接结经纱贯穿织物厚度方向，以保持织物的稳定性。三向正交结构织物具有良好的整体性和稳定性，其增强复合材料具有极高的面内刚度和优异的断裂韧性。
　　三维角联锁结构织物由24个系统的纱线组成，即法向接结经纱系统、纬纱系统、衬经纱系统、衬纬纱系统，法向接结经纱和纬纱是必不可少的，而衬纱系统可根据织物不同性能需要选择性添加。特别地，当作用力沿着衬纱方向时，衬纱在角联锁结构织物中贡献明显较大。根据法向接结经纱贯穿织物厚度的程度，角联锁结构织物可分为层层贯穿角联锁和通厚度贯穿角联锁二大类。角联锁结构织物具有良好的伸缩性，层间断裂韧性高，能量吸收性好等优点，最重要的是它与三向正交织物相比具有更好的柔韧性和成型能力，可以更好地弯曲成型为三维曲面。
　　2。剪切性能
　　板形织物在模具约束作用下的成型过程中，要经历弯曲、剪切、拉伸等变形，其中剪切变形被认为是影响织物成型性最主要的因素。织物受到剪切力作用时发生变形，继而相邻纱线间发生挤压而锁定，此时纱线间的夹角即为剪切锁定角，当机织物经纬纱间的角度超出剪切锁定角时织物将会发生褶皱。在整个织物剪切变形过程中，应力与应变呈相关性，开始变形阶段随着应变的增大应力微小变大，织物达到锁定状态后，应力上升幅度增大。以平纹机织物为例。当织物受到力时发生微小剪切变形，随着力逐步施加在织物上，织物达到锁定状态，继续加载织物则发生褶皱现象。
　　目前研究最多的是通过织物的剪切性能来评价机织物成型性剪切会引起纱线滑移，导致最终复合材料的力学性能降低。用机织物的剪切性能评价织物的成型性时，织物的剪切强度、剪切锁定角是主要参数。大多数学者以机织物为代表，在Mack等提出的理想化铰链连接模型的基础上研究机织物的剪切性能。二维机织物的剪切性能与织物成型性的关系研究始于20世纪60年代，在文献报道的研究中趋于完善。他们大多通过典型的像框剪切实验，其中像框装置由2个用于捕捉正反面变形过程的数码相机、剪切像框组成，载荷加载在剪切像框上使得像框上下移动，从而使织物发生剪切变形，通过摄像装置采集织物剪切变形过程中的变形图。基于理想化铰链连接模型，得出织物的剪切性能与二维机织物成型性有相关关系。假设织物只发生纯剪切变形，有文献具体研究了二维机织物成型性的影响因素，并建立几何模型预测织物中出现褶皱等疵点的几率。目前，对三维机织物的剪切性能测试尚无统一的实验标准，各文献介绍的测试结果有较大的差距。大多数学者都采用像框剪切实验装置研究三维机织物的剪切性能，并用剪切刚度、剪切锁定角等评价织物剪切性能。在国内，主要有文献报道了对维角联锁织物的剪切性能研究，其中，李姗姗利用像框剪切实验装置对7种不同规格参数的角联锁织物和一种三向正交结构的织物进行了实验研究，结果表明结构对三维机织物的剪切性能影响不大，纱线线密度、经纬密、织物层数对三维机织物的剪切性能影响较大。张一帆等利用改进的像框实验装置比较分析不同经纬密的维角联锁织物的剪切锁定角变化，得出织物经纬密越小织物越容易成型，并分析了非线性褶皱变化机制。在国外，Chen等和Lomov等对三维机织物成型性与剪切性能关系的研究成果比较显著。其中Chen等集中于研究2。5维角联锁织物的成型性，发现这类织物具有较低的剪切强度，可很好地弯曲成型三维曲面，并采用剪切实验和织物变形实验2种方法研究维角联锁织物的成型性，提出了影响织物成型性的主要影响因素。研究人员利用维角联锁织物具有较小剪切刚度，成型性好的特点，将织物无褶皱、无屈曲地铺覆在头盔模具上，并复合成型。Lomo等侧重于建立三维机织物几何模型研究织物的剪切性能，并表征三维机织物的成型性。在机织物的单胞几何模型内进行纱线受力分析，当织物受到剪切力作用时，相互交织的经纬纱各自沿着不同的方向以交织点为中心发生转动，从而有纱线错位滑移现象发生，同时相邻经纬纱在垂直织物表面方向相互挤压，纱线横截面发生相应的尺寸变化。随后Charmetant等建立了超弹性本构模型分析了具有一定厚度的2。5维角联锁织物在树脂传递模塑（RTM）工艺成型过程中的变形行为，加深了对三维机织物成型三维曲面的力学理解。
　　机织物的剪切性能是产生褶皱的一个主要因素，由于三维机织物受力的复杂性，它并不能完全决定织物的成型性。事实上，当三维机织物发生变形时，不仅仅只发生剪切变形，织物受到的拉力和织物表面弯曲行为都是织物产生褶皱的影响因子。像框剪切实验只能定性地检测三维机织物的成型性程度和强度，所以用剪切性能评价成型性是不足的，与三维机织物实际变形情况有一定差距。
　　3结束语
　　目前，板形三维机织物在模具约束作用下弯曲成型己成功用于飞行员头盔壳体、罩体等生产实际应用中，并有着广泛的发展前景，但是随着三维机织复合材料的不断发展，对异型复合材料的质量及力学性能也提出了新的挑战，仍有许多问题有待于进一步的解决，主要体现在以下几个方面：
　　1）对三维机织物成型性的研究大多从成型机理、成型实验以及成型模拟这3个角度着手，所使用的方法是力学法和几何分析法，都有一定局限性的。
　　2）对织物结构进行优化设计，并研究织物结构对其成型性的影响，尤其是针对广泛使用的三维机织结构的研究还很少。
　　3）研究三维机织物成型目标几何体后，需进一步研究呈交织结构状态的纱线几何位移变化规律，建立相应的几何模型。
　　4）异型三维机织复合材料的力学性能并没有得到实验性结论，其力学性能也未得到实际肯定，成为实际应用中的困扰。